C.3 岩土热响应试验方法

    在测试现场，应搭设防护措施，防止测试设备受日晒雨淋的影响，造成测试元件的损坏，影响测试结果。

    岩土热物性参数作为一种热物理性质，无论对其进行放热还是取热试验，其数据处理过程基本相同。因此本规范中只要求采用向岩土施加一定加热功率的方式，来进行热响应试验。

    现有的主要计算方法，是利用反算法推导出岩土热物性参数。其方法是：从计算机中取出试验测试结果，将其与软件模拟的结果进行对比，使得方差和取得最小值时，通过传热模型调整后的热物性参数即是所求结果。其中，T_cal,_i为第i时刻由模型计算出的埋管内流体的平均温度；T_exp,_i为第i时刻实际测量的埋管中流体的平均温度；N为试验测量的数据的组数。也可将试验数据直接输入专业的地源热泵岩土热物性测试软件，通过计算分析得到当地岩土的热物性参数。

    以下给出一种适用于单U形竖直地埋管换热器的分析方法，以供参考。

    地埋管换热器与周围岩土的换热可分为钻孔内传热过程和钻孔外传热过程。相比钻孔外，钻孔内的几何尺寸和热容量均很小，可以很快达到一个温度变化相对比较平稳的阶段，因此埋管与钻孔内的换热过程可近似为稳态换热过程。埋管中循环介质温度沿流程不断变化，循环介质平均温度可认为是埋管出入口温度的平均值。钻孔外可视为无限大空间，地下岩土的初始温度均匀，其传热过程可认为是线热源或柱热源在无限大介质中的非稳态传热过程。在定加热功率的条件下：

    1  钻孔内传热过程及热阻

    钻孔内两根埋管单位长度的热流密度分别为q₁和q₂，根据线性叠加原理有：

    式中 T_f1，T_f2——分别为两根埋管内流体温度(℃)；

         T_b——钻孔壁温度(℃)；

         R₁，R₂——分别看作是两根管子独立存在时与钻孔壁之间的热阻(m·K/W)；

         R₁₂——两根管子之间的热阻(m·K/W)。

    在工程中可以近似认为两根管子是对称分布在钻孔内部的，其中心距为D，因此有：

其中埋管管壁的导热热阻R_p和管壁与循环介质对流换热热阻R_f分别为：

    式中 d_i——埋管内径(m)；

            d_o——埋管外径(m)；

            d_b——钻孔直径(m)；

            λ_p——埋管管壁导热系数[W/(m·K)]；

            λ_b——钻孔回填材料导热系数[W/(m·K)]；

            λ_s——埋管周围岩土的导热系数[W/(m·K)]；

            K——循环介质与U形管内壁的对流换热系数[W/(㎡·K)]。

    式中 c_s——埋管周围岩土的平均比热容[J/(kg·℃)]；

            T——孔周围岩土温度(℃)

            T_ff——无穷远处土壤温度(℃)；

            ρ_s——岩土周围岩土的平均密度(kg/m³)；

            τ——时间(s)。

    由上述方程可求得τ时刻钻孔周围土壤的温度分布。其公式非常复杂，求值十分困难，需要采取近似计算。

    当加热时间较短时，柱热源和线热源模型的计算结果有显著差别；而当加热时间较长时，两模型计算结果的相对误差逐渐减小，而且时间越长差别越小。一般国内外通过实验推导钻孔传热性能及热物性所采用的普遍模型是线热源模型的结论，当时间较长时，线热源模型的钻孔壁温度为：

    式(14)和式(20)构成了埋管内循环介质与周围岩土的换热方程。式(20)有两个未知参数，周围岩土导热系数λ_s和容积比热容ρ_sc_s，利用该式可以求得上述两个未知参数。

C.3.2  测试孔的深度相比实际的用孔过大或过小都不足以反映真实的岩土热物性参数；如果测试孔与实际的用孔相差过大，应当按照实际用孔的要求，制作测试孔；或将制成的实际用孔作为测试孔进行测试。

C.3.3  通过近年来对多个岩土热响应试验的总结，由于地质条件的差异性以及测试孔的成孔工艺不同、深度不一，测试孔恢复至岩土初始温度时所需时间也不一致，通常在48h后测试埋管的状态基本稳定；但对于采用水泥基料作为回填材料的，由于水泥在失水的过程中会出现缓慢的放热，因此对于使用水泥基料作回填材料的测试孔，测试孔应放置足够的时间(宜为10d以上)，以保证测试孔内岩土温度恢复至与周围岩土初始平均温度一致；此外，测试孔成孔完毕后，要求将测试孔放置48h以上，也是为了使回填料在钻孔内充分地沉淀密实。

C.3.4  随着岩土深度以及岩土性质的不同，各个深度的岩土初始温度也会有所不同。待钻孔结束，钻孔内岩土温度恢复至岩土初始温度后，可采用在钻孔内不同深度分别埋设温度传感器(如铂电阻温度探头)或向测试孔内注满水的PE管中，插入温度传感器的方法获得岩土初始的温度分布。

C.3.5  岩土热响应试验是一个对岩土缓慢加热直至达到传热平衡的测试过程，因此需要有足够的时间来保证这一过程的充分进行。在试验过程中，如果要改变加热功率，则需要停止试验，待测试孔内温度恢复至与岩土的初始平均温度一致时，才能再进行岩土热响应试验。

    对于采用加热功率的测试，加热功率大小的设定，应使换热流体与岩土保持有一定的温差，在地埋管换热器的出口温度稳定后，其温度宜高于岩土初始平均温度5℃以上。如果不能保持一定的温差，试验过程就会变得缓慢，影响试验结果，不利于计算导出岩土热物性参数。

    地埋管换热器出口温度稳定，是指在不少于12h的时间内，其温度的波动小于1℃。

C.3.6  为有效测定项目所在地岩土热物性参数，应在测试开始前，对流量进行合理化设置：地埋管换热器内流速应能保证流体始终处于紊流状态，流速的大小可视管径、测试现场情况进行设定，但不应低于0.2m/s。